Análise do desempenho do AD9835 para a geração de um sinal

dx.doi.org/10.7437/NT2236-7640/2013.01.002
Notas Técnicas, v. 3, n. 1, p. 15–19, 2013
Análise do desempenho do AD9835 para a geração de um sinal senoidal
G. L. Santos e P. D. Batista∗
Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas - Rio de Janeiro - RJ - Brasil
(Dated: 5 de junho de 2013)
Este trabalho tem como principal objetivo investigar o funcionamento do circuito integrado AD9835 para
a geração de sinais senoidais. Nesse sentido, um circuito eletrônico composto basicamente por um AD9835
conectado a um microcontrolador por meio de uma porta SPI foi desenvolvido e caracterizado utilizando um
osciloscópio digital. Os resultados mostram que o circuito eletrônico é capaz de gerar sinal senoidal com uma
freqüência de até 5 MHz tendo como característica um erro menor que 1.5 %.
1.
INTRODUÇÃO
Não é arriscado dizer que os geradores de sinais desempenham um papel importante na área de instrumentação
científica em que sinais elétricos de diferentes tipos são
necessárias para caracterização tanto de sistemas analógicos
quanto digitais [1–6]. É possível citar o analisador de
impedância como um exemplo de equipamento comercial
que tem como núcleo central um gerador de sinal. Em
poucas palavras, este equipamento poderia ser visualizado
como um instrumento capaz de obter, de maneira confiável,
a função de transferência e os diagramas de módulo e fase
da impedância de um sistema onde a saída fosse função da
entrada, podendo assim, representá-lo em função da freqüência. Para isso, basicamente é gerado um sinal senoidal, e de
freqüência variável, que alimenta a entrada do dispositivo ao
mesmo tempo em que a resposta na saída é monitorada. Essa
técnica pode ser utilizada para a caracterização de sensores
baseados em ressonância, tais como ondas acústicas de
superfície, magneto-elásticos, ressonador de cristal de
quartzo, acústicos, piezo-elétricos, sensores e circuito LC
ressonante. Um equipamento capaz de medir os parâmetros
químicos e físicos, controlando a freqüência de ressonância
do sensor em função do parâmetro ambiental encontra
aplicações em diversas áreas de pesquisa. Pode-se concluir
então, que a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico
tendo como tema principal a geração de sinal senoidal
encontrará diversas aplicações. Além disso, neste trabalho
estamos interessados em um gerador de sinal senoidal em
que a principal característica deva ser a capacidade de
ajustar a freqüência remotamente [7]. Nas próximas seções
abordaremos dois métodos comerciais que são utilizados
para a geração de sinais senoidais apartir de dispositivos
eletrônicos. Em seguida, um protótipo de um circuito
eletrônico microcontrolado para a caracterização elétrica do
AD9835 como gerador de sinal senoidal será apresentado.
∗ [email protected]
2.
DIRECT LOOK-UP TABLE (DLT)
O método conhecido como Look-Up Table é uma das
maneiras mais simples para gerar formas de ondas arbitrárias
[8–10]. Nesse método, as amostras da forma de onda a
ser gerada são pré-calculadas ao longo de um ciclo e armazenadas na memória digital. A forma de onda sintetizada
é um conjunto de valores discretos dados pela equação (1).
2πin∆
X(n) = sin α +
N
(1)
Os valores de X(n) podem ser armazenados, por exemplo,
na memória de um Microcontrolador, de um Processador de
Sinal Digital (DSP) ou até mesmo de uma Arranjo de Portas
Programável em Campo (FPGA). Em seguida este sinal pode
ser recuperado da memória e transferido para um conversor
digital para analógico (DAC) a uma determinada freqüência
fixa. O sinal gerado na saída do DAC deve ainda passar por
um filtro passa-baixa antes de ser utilizado [10]. A freqüência da onda sintetizada é determinada então, pela quantidade
n∆/N, pelo qual o índice da tabela é incrementado em cada
período de amostragem. Suponha que o índice de tabela seja
acessado em incrementos de ∆, a uma taxa de fs Hz. Isso
geraria uma onda senoidal de freqüência fundamental F0 de
acordo com a equação (2).
F0 =
∆Fs
Hz
N
(2)
É importante notar que o valor máximo de F0 é delimitada
por N/2, sendo este o limite que evita fenômenos de aliasing
no sinal. Nesse método é possível ajustar a freqüência do
sinal gerado por meio da freqüência na qual as amostras são
acessadas na memória e transferidas para o conversor digital analógico. Entretanto, essa alternativa não é muito viável
caso seja necessário varrer uma ampla região de freqüências,
devido principalmente a limitações em termos de dispositivos eletrônicos. Uma alternativa para contornar o problema
seria a de modificar o número de pontos N utilizados para
amostrar o sinal ao mesmo tempo em que a freqüência de
amostragem é mantida fixa.
16
G.L. Santos e P.D. Batista
3.
DIRECT DIGITAL SYNTHESIS
Outro método para a geração de sinais digitais é o Direct
Digital Synthesis ou simplesmente DDS [11–14]. Uma das
vantagens do DDS é que tanto a freqüência quanto a fase
do sinal gerado pelo dispositivo podem ser ajustadas digitalmente. Essa tecnologia foi previamente utilizada em radares
militares e sistemas de comunicação devido ao seu alto
custo inicial, consumo excessivo de potência e necessidade
de sistemas Conversores Digital para Analógico de alta velocidade. Entretanto, atualmente encontram-se disponíveis
no mercado circuitos integrados que operam em diferentes
faixas de freqüência. Como exemplo, os DDSs produzidos
pela Analog Device podem operar em faixas de freqüência
entre 20 MHz até 300 MHz.
4.
PROJETO DO CIRCUITO ELETRÔNICO
Neste trabalho é utilizado o circuito inegrado AD9835. É
um circuito altamente integrado que utiliza a tecnologia DDS
em conjunto com uma elevada velocidade de processamento,
conversores analógicos para digital de alto desempenho, para
formar um sintetizador completamente digital de freqüência
programável [15]. Quando alimentado por um sinal de relógio preciso, o AD9835 gera um sinal senoidal de freqüência
e fase programáveis. O controle desses parâmetros podem
ser realizados a partir de palavras de controle de 32 bits que
são carregadas em seus registradores de configuração.
AD9835 através de um barramento de comunicação denominado por Serial Programming Interface (SPI). O microcontrolador pode ser imaginado como um circuito integrado capaz de executar uma série de instruções armazenadas em sua
memória interna, no formato de códigos que foram gerados a
partir de uma linguagem de programação como C ou Assembly. A idéia principal deste circuito eletrônico é a de tornar
o microcontrolador uma ponte entre o compudoar pessoal
e o AD9835. Neste caso, o microcontrolador recebe as instruções para a configuração do AD9835 através da porta de
comunicação serial. Em seguinda, essas intruções são convertidas para o padrão SPI e enviadas para o AD9835. O circuito integrado MAX232 é utilizado junto ao microcontrolador para converter o padrão TTL para o RS232. Entretanto,
futuramente a comunicação entre o terminal e o microcontrolador será substituída pelo padrão USB [16]. Um cristal
de quartzo é responsável por fornecer ao DDS um sinal de
freqüência de 20 MHZ para ser usada como freqüência de
referência para AD9835. Consequentemente, 10 MHz será o
limite de freqüência em que o AD9835 poderá operar. Para
manter a compatibilidade com o microcontrolador utiliza-se
uma alimentação de 3.3V. O padrão do conector de saída
do sinal gerado pelo DDS é do tipo BNC de 50 Ohms de
impedância. Finalmente, é relevante enfatizar que as configurações utilizadas para ajustar a comunicação no barramento
SPI são as requisitadas pelo manual de operação do AD9835,
bem como a dos parâmetros necessários ao seu correto funcionamento.
4.2.
4.1.
Layout para a placa de circuito impresso
Esquema elétrico
Figura 1: Esquemático do circuito eletrônico. Esse circuito tem
como elemento principal um microcontrolador conectado ao DDS
por meio de uma barramento SPI.
A figura 1 apresenta o esquema elétrico do circuito desenvolvido para caracterizar o sinal senoidal gerado pelo
AD9835. Como pode ser observado, este circuito é composto por um microcontrolador HCS08-QG8 conectado ao
O desenho da placa de circuito impresso foi elaborado
utilizando o programa de desenvolvimento EAGLE da CadSoft [17]. A figura 2 mostra detalhes do layout da placa de
circuito impresso desenvolvida tendo como base o esquema
elétrico apresentado na figura 1. A escolha de trilhas em superfície dupla tem como objetivo diminuir o tamanho do desenho ao mínimo possível, embora a simplicidade do circuito
eletrônico permitisse a possibilidade da utilização de trilhas
em superfície única. Assim, por meio deste desenho do circuito eletrônico, uma placa de circuito impresso é fabricada
utilizando-se uma fresadora da LKPF modelo ProtoMat C60.
Os projetos de circuitos eletrônicos utilizando o AD9835
esbarram na dificuldade de que este componente não pode
ser facilmente testado em placas convencionais normalmente
utilizadas durante as etapas iniciais do desenvolvimento, pois
este circuito é comercializado através do encapsulamento
TSSOP, no qual apresenta como característica principal o
fato de que a distância entre os pinos do CI está na ordem
de 0.65 mm. Visando contornar essa dificuldade, um adaptador TSSOP para DIP foi desenvolvido como mostra a figura
3. Simplesmente a idéia deste adaptador é a de que todos
os pinos do circuito integrado estejam disponibilizados de
maneira que possam ser compatíveis com a placa de desenvolvimento. Este adaptador permite uma flexibilidade maior
ao desenvolvimento de protótipos que utilizam o AD9835
considerando que o mesmo facilita a montagem em placas
de protoboard para a realização de testes em projetos de circuitos eletrônicos.
17
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Figura 4: Esquema ilustrando a conexão entre o terminal de controle e microcontrolador por meio do protocolo RS232. Como pode
ser observado, este último acessa o AD8935 através do protocolo
SPI.
Figura 2: Layout da placa de circuito impresso desenhada por meio
do EAGLE tendo como base o circuito elétrico apresentado na
figura 2
que podem estar na faixa entre zero e nove. No final, utilizase sempre a letra “E” seguido de um line feed e um carry
return. Por exemplo, para escolher a freqüência de 1 KHz,
é necessário enviar o comando “B0001000E<lf><cr>” e receber como resposta “OK<lf><cr>”. Futuramente o microcontrolador poderá ser utilizado tanto para controlar o ganho
de tensão quanto para realizar aquisições de dados ao mesmo
tempo em que controla a geração do sinal senoidal. A ação
de prover para o conjunto de eletrônica a capacidade de perturbar o meio em estudo ao mesmo tempo em que a resposta
da saída é monitorada permitirá por exemplo, a caracterização elétrica de sensores ou dispositivos em geral.
5.
Figura 3: Representação esquemática do adaptador para o circuito
integrado AD9835 (esquerda) assim como o protótipo para o circuito eletrônico (direita)
4.3.
Desenvolvimento dos programas
Ao longo desse estudo foram desenvolvidos programas
para investigar o funcionamento do DDS como gerador de
sinal senoidal. O primeiro programa consiste em um conjunto de instruções a serem executado pelo microcontrolador.
Nesta etapa do projeto estamos interessados em utilizar a
porta UART e a porta SPI do microcontrolador. Neste caso,
o programa a ser gravado na memória do microcontrolador é
desenvolvido de maneira que todos os registradores de configuração do AD9835, que só estavam disponíveis a partir de
sua porta de comunicação SPI, possam ser acessados a partir
da porta de comunicação UART serial do microcontrolador
como mostra o esquema na figura 4.
O computador pessoal pode acessar o microcontrolador
a partir da porta RS232. Por meio deste canal de comunicação são trocadas palavras de controle que definirão quais
dados serão gravados nos registradores de configuração do
AD9835. O protocolo de comunicação inicia com a letra
maiúscula “B” seguida por uma seqüência de 7 caracteres
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DO AD9835
Um osciloscópio digital TDS2002 conectado a um computador pessoal é usado para analisar o desempenho do
AD9835 [18]. Essa caracterização consiste em ajustar a
freqüência de saída do AD9835 ao mesmo tempo em que
o sinal gerado pelo circuito integrado é amostrado e enviado para o computador por meio de uma porta USB presente no osciloscópio. Para automatizar essas medidas um
programa, desenvolvido em Labview disponibiliza uma interface amigável com o usuário. Essa interface seleciona a
primeira freqüência no DDS, lê a informação gerada e incrementa um passo na freqüência inicialmente programada.
Esse processo é repetido novamente até a freqüência máxima
ser alcançada. A cada aquisição, a freqüência de amostragem
deve ser selecionada de maneira que o tempo de amostragem
seja oito vezes menor que o período do sinal gerado pelo
DDS. Isso significa que a freqüência de amostragem deve ser
tal que permita amostrar os primeiros harmônicos do sinal.
Os dados que são gerados pelo programa ficam em formato
de arquivo ASCII, com o nome referente freqüência medida,
como por exemplo, “1000Hz.txt”, contendo um cabeçalho
com os parâmetros da medida (escalas vertical e horizontal,
valor de Vpp, freqüência medida etc) e um conjunto de pontos do ganho em dB em função da freqüência em que o ponto
foi medido. Finalmente, o terceiro programa consiste num
conjunto de funções desenvolvidas em linguagem de programação C/C++ para o processamento do sinal digitalizado.
Essa analise permite extrair as grandezas utilizadas para a
caracterização de sinais senoidais. Conclui-se então que o
sistema de caracterização desenvolvido ao longo deste trabalho permite que este circuito integrado seja analisado em
toda a região de freqüências de maneira automática.
18
G.L. Santos e P.D. Batista
6.
RESULTADO E DISCUSSÕES
A figura 5 apresenta o sinal senoidal amostrado na saída
do AD9835 para diferentes valores de freqüências. Note que
os sinais com frequencias maiores que 1 MHz são caracterizados pela presença de ruídos. Acredita-se que esses ruidos
serão reduzidos quando o protótipo estiver montado em uma
placa de circuito impresso.
Figura 6: Analise da precisão da freqüência do sinal gerado pelo
DDS. A figura a mostra que o erro é inferior 1.5 em toda a faixa de
freqüência (1KHz até 5 MHz)
Figura 5: Sinal senoidal do gerador de sinais projetado por meio de
um DDS. A freqüência fundamental de cada sinal é: (a) F = 100
Hz, (b) F = 1 KHz, (c) F = 10 KHz, (d) F = 100 KHz (e) F = 1 MHz
(f) F = 5 MHz. Para cada uma dessas freqüências a amplitude do
sinal adquirido pelo osciloscópio está representada
A figura 6 investiga a precisão da freqüência do sinal gerado na faixa entre 1 KHz e 5 MHz com intervalos de 1 KHz.
Nota-se que a frequência do sinal gerado está de acordo com
a freqüência selecionada com um erro inferior a 1.5 %, destacando assim a precisão do AD9835. Uma das principais
características esperadas de um gerador de sinais é que este
consiga reduzir ao máximo a quantidade de harmônicos presentes no sinal. Assim, a análise do DDS em relação a presença de harmônicos será realizadas através do conceito de
distorção total dos harmônicos (TDH-total harmonic distortion) [8, 9]
A figura 7 mostra a análise da distorção total de harmônicos gerada pelo AD9835. Matematicamente pode ser descrita como sendo:
T HD =
∑H
h=2 Ph
P1
(3)
Ph é a potência das H harmônicas mais intensas e P1 a
potência da harmônica fundamental. Neste resultado é considerado apenas os seis primeiros harmônicos. A intensidade
dessa distorção é baixa quando comparada com a intensidade
da fundamental e possivelmente não influenciam no sinal de
saída. Ocorreram alguns picos aleatórios na análise, que podem ter sido causados por algum fenômeno de ressonância,
devido as características físicas do circuito eletrônico.
Figura 7: Analise da distorção do sinal devido aos harmônicos por
meio da grandeza THD
7.
CONCLUSÃO
Os dados apresentados deixam claro que é amplamente
viável a utilização deste circuito eletrônico como gerador de
sinais senoidais em diversas aplicações. Embora o circuito
eletrônico utilizado necessite de algumas alterações visando
a melhoria do mesmo, como por exemplo, a implementação
de um filtro passa-baixa na saída do AD9835. Seria interessante também a a troca do sistema de comunicação do protocolo RS232 para o protocolo USB assim como simplificar
o layout das placas de circuito impresso e desenvolver um
protótipo em placa de circuito integrado para testes com freqüências mais elevadas.
19
CBPF-NT-002/13
AGRADECIMENTO
Ênfase em Instrumentação Científica no CBPF. Este trabalho
é fomentado pela FAPERJ (E-26/110.997/2009).
Os resultados apresentados foram obtidos ao longo de um
trabalho de conclusão de curso da disciplina Microcontroladores ministrada no Mestrado Profissional em Física com
[1] Wissenwasser J, Vellekoop MJ and Heer R Signal Generator for Wireless Impedance Monitoring of Microbiological Systems. IEEE Transactions on Instrumentation and
Measurement, 2011, Vol 60, Issue 6, Pag 2039-2046
DOI:10.1109/TIM.2011.2113127.
[2] Campos-Cantó I, Campos-Cantón E and Castellanos-Velasco
E. Signal generator based on a chaotic circuit. Analog Integr
Circ Sig Process (2011) 66:309-313, DOI:10.1007/s10470010-9558-5
[3] Gaydecki P New real-time algorithms for arbitrary high precision function generator with applicatiosn to acoustic transducer excitation. Sensors and Their Applications XV - Journal of Physics Conference Series (2009) Vol 178 - 012015
DOI:10.1088/1742-6596/178/1/012015
[4] Huang Ke-Nung, Huang Yu-Pei. Multiple-frequency ultrasonic distance measurement using direct digital frequency
synthesizers. Sensor and Actuators A-Physical (2009) Vol 149
Issue 1 Pag: 42-50 DOI:10.1016/j.sna.2008.09.014
[5] Ramos PM, Serra AC. Impedance measurement using multiharmonic least-squares waveform fitting algorithm. Computer Standards and Interfaces (2008) Vol 30 323-328
DOI:10.1016/j.csi.2007.09.002
[6] E. E. Gdoutos, Experimental analysis of nano and engineering materials and structures. Springer, 2007, Netherlands, Pg
143-145,421.
[7] Hu XH and Yang WQ. Design of a data acquisition and
function generator uing with USB. Measurement Science
and Technology (2006) Vol 17 N17-N23 DOI:10.1088/09570233/17/4/N03
[8] Dutteweiller DL and Messerschmitt DG Analysis of
Digitally Generated Sinusoids with Application to A/D
and D/A Converter Testing. IEEE Transactions on
Communications (1978) Vol 26 No. 5 Pag: 669-675
DOI:10.1109/TCOM.1978.1094129
[9] Abezasekera T, Johnson CM, Atkinson DJ and Armstrong M Elimination of subharmonics in direct look-up
talbe (DLT) sine wave reference generators for low-cost
microprocessor-controlled inverters. IEEE Transactions on
Power Electronics (2003) Vol 18 Issue 6 Pag: 1315-1321
DOI:10.1109/TPEL.2003.818830
[10] Sia LH, Jamuear SS, Sidek RM and Marhaban MH.
Digital-signal-processor-based waveform generator. Measurement Science and Technology (2007) Vol 18 N35-N40
DOI:10.1088/0957-0233/18/7/N01
[11] Cordesses L. Direct Digital Sysnthesis: A Tool for
Periodic Wave Generation (Part 1). IEEE Signal Processing Magazine (2004) Vol 21 Issue 4 Pag: 50-54
DOI:10.1109/MSP.2004.13111-40
[12] Cordesses L. Direct Digital Sysnthesis: A Tool for
Periodic Wave Generation (Part 2). IEEE Signal Processing Magazine (2004) Vol 21 Issue 5 Pag: 110
DOI:10.1109/MSP.2004.1328096
[13] A Technical tutorial on digital signal synthesis. (1999) Analog
Devices inc.
[14] Yeary MB, Fink RJ, Beck D, Guidry D and Burns M. A DSPBased Mixed-Signal Waveform Generator. IEEE Transactions
on Instrumentation and Measurement (2004) Vol 53 No 3 Pag:
665-671 DOI:10.1016/j.sna.2008.09.014
[15] Analog Devices, DataSheet - AD9835 - 50 MHz CMOS complete DDS. 1998.
[16] Jan Axelson USB Complete Everthing You Need to Develop
Custom USB Peripherals. (2005) Third Edition.
[17] CadSoft EAGLE - Easily Applicable Graphical Layout Editor.
(2011) - User Language Version 5.12 .
[18] TDS1000 and TDS2000 series - User manual. Tektronix, Inc,
2002.